(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の層の中に配置されている複数の銅金属ランナと、
前記複数の金属ランナの上に配置された第１セグメント化された保護層であって、前記第１セグメント化された保護層を貫通して前記複数の金属ランナまで延在する開口を有する、第１セグメント化された保護層と、
前記複数の開口を貫通して延在し、前記複数の金属ランナの部分に接触する少なくとも１つのボンディング・パッドセグメントにセグメント化されているアルミニウムまたはアルミニウムの合金を含み、更に別の複数の開口を貫通して延在し、前記複数の金属ランナの残りの部分に接触する複数の相互接続ランナセグメントを含む、セグメント化されたボンディング・パッド層と、
前記少なくとも１つのボンディング・パッドセグメント上に配置されているアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）層と、
を備える半導体デバイスであって、
前記アンダー・バンプ・メタライゼーション層が前記複数の金属ランナの部分に電気的に接続されている半導体デバイス。  
【請求項２】
更に、前記第１セグメント化された保護層および前記セグメント化されたボンディング・パッド層の上に配置されている第２保護層を含み、
前記複数の銅金属ランナは第１セグメントおよび第２セグメントを含み、
前記第２保護層の部分は、前記少なくとも１つのボンディング・パッドセグメントと前記複数の相互接続ランナセグメントの少なくとも１つとの間に配置される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ＵＢＭ層の上にはんだバンプが配置されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記はんだバンプは、鉛もしくはその合金を含む、または無鉛である、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記相互接続ランナセグメントは、銅を含み、少なくとも第１および第２ランナ部分にセグメント化され、
前記少なくとも１つのボンディング・パッドセグメントは、前記第１セグメント化された保護層を貫通して延在する少なくとも１つのビアによって前記第１ランナ部分に電気的に接続され、
前記相互接続ランナセグメントの少なくとも１つは、前記第１セグメント化された保護層を貫通して延在する少なくとも１つのビアによって前記第２ランナ部分に電気的に接続される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
更に、前記複数の銅金属ランナの下に配置されている活性デバイスを含み、
前記複数の銅金属ランナは前記デバイスの最外側相互接続層を形成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記最外側相互接続層が銅または銅の合金を含む、請求項６に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に半導体デバイスを対象とし、より具体的には、相互接続層を置き換える新規な経路（ｎｏｖｅｌ  ｒｏｕｔｉｎｇ）のアンダー・ボンディング・パッド構造を使用する半導体デバイスを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
最小寸法の減少と共に、半導体集積回路業界には、アルミニウム（Ａｌ）またはＡｌ合金相互接続から銅（Ｃｕ）ベースのメタライゼーション層に移行する必要性が生じてきた。１０レベルまでのＣｕ相互接続を含む、マルチ・レベル構造が、今日のデバイスでは普通である。銅は、Ａｌベース合金より低い抵抗率を有しており、ｌｏｗ−ｋ誘電体と共に使用されると、Ｃｕは配線ＲＣ遅延を減少させる。更に、Ｃｕベース相互接続はＡｌベース合金に勝る良好な信頼性を示す。
【０００３】
一般に、ｌｏｗ−ｋ材料の乏しい機械的安定性および化学的安定性から相互接続の最上位レベルは、ｌｏｗ−ｋ材料を含まない。これらの材料は、押し込み、およびせん断に対する強度が不十分で、抵抗力が低く、またもともと壊れやすい。したがってこれらは、ワイア・ボンディングまたはフリップ・チップ組立て技術には不適切である。したがって、業界では、従来のＳｉＯ２ベースの誘電体の範囲内で形成された最上位（または上２つ）のＣｕメタライゼーション層を用いてマイクロエレクトロニクス・デバイスを製造する。更に、最上位のＣｕ金属層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素（ＳｉＮ／ＳｉＯ２／ＳｉＯＮ）、またはそれらの組合せなどのバリア誘電体で保護されなければならない。従来の半導体デバイス１００が、図１に示されており、そこでは大きなＣｕのボンディング・バッド１１０が、最外側の誘電体層１１５内に形成されている最終のまたは最外側のＣｕ相互接続層の一部として示されている。ゲートおよび相互接続層など、このデバイスの他の半導体の特徴は分かり易くするために省かれている。
【０００４】
多数の入出力（Ｉ／Ｏ）を有するデバイスは、一般にフリップ・チップ組立て技術を用いて作製される。一般に、直接Ｃｕへのバンプ形成は、ほとんどの工業用組立て工程からみて利用できないので、Ｃｕ相互接続を含むフリップ・チップ・デバイスの常套的な作製方法は、フリップ・チップ・バンプ作製前に、Ａｌ合金ボンディング・バッド１２０が、最上位の銅メタライゼーション内にＣｕボンディング・バッド１１０を覆って配置されて作製される。図１に示されるように、Ａｌ合金ボンディング・パッド１２０は、部分的にＣｕボンディング・パッド１１０を覆うウェーハ保護層１２５の形成に続いて作製される。一般に、バリア層（示されていない）が、銅ボンディング・パッド１１０からＡｌボンディング・パッド１２０を分離する。最終保護層１３０が、その上に堆積される。保護層１３０が、パタ―ン化されて、Ａｌ合金ボンディング・パッド１２０に電気的に接続可能にする。アンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）層１３５が、Ａｌ合金ボンディング・パッド１２０を覆って配置される。当業者には周知であるように、ＵＢＭ層１３５が、はんだバンプ１４０からＡｌ合金ボンディング・パッド１２０を分離する。Ａｌ合金ボンディング・パッド１２０は、Ｃｕボンディング・パッド１１０を通して下にある半導体デバイスの活性な構成要素に電気的に接続され、順に、Ｃｕボンディング・パッド１１０が、下にある相互接続メタライゼーション層（示されていない）に電気的に接続される。したがって、図１に示されている構造から分かる様に追加された相互接続メタライゼーション層（つまり、Ｃｕボンディング・パッド１１０）が、Ａｌ合金ボンディング・パッド１２０を下にある活性デバイスに電気的に接続するのに必要となる。Ｃｕボンディング・パッド１１０の作製は、製造コストを増加させる追加の加工とマスク工程を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
当技術分野で必要とされるのは、前述の従来構造の欠点に対処する改善されたボンディング・パッド構造を有する半導体デバイスである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述の従来技術の欠点に対処するために、本発明は、一実施形態で、少なくとも１つのボンディング・パッドと、少なくとも１つの相互接続ランナを含むアルミニウム層を備える半導体デバイスを提供し、相互接続ランナが、下にある銅相互接続層に電気的に結合されている。
【０００７】
もう１つの実施形態で、本発明は、半導体基板の上に配置されている活性デバイスと、少なくとも第１および第２ランナ部分にセグメント化され、活性デバイスの上に形成されている最外側相互接続層と、相互接続層の上に位置するセグメント化されたボンディング・パッド層とを備える半導体デバイスを提供する。ボンディング・パッド層は、ボンディング・パッド部分と相互接続ランナ部分とを含む。更に、デバイスは、最外側相互接続層とボンディング・パッド層の間に配置されている保護層を備える。保護層は、それを貫通して延在し、相互接続層に接触するビアを有する。ボンディング・パッドおよび相互接続ランナ部分が、ビアの中に延在する。ボンディング・パッド部分は、少なくとも１つのビアによって第１部分に電気的に接属され、相互接続ランナ部分は、別の少なくとも１つのビアによって第２部分に電気的に接続される。アンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）層は、ボンディング・パッド部分を覆って配置される。
【０００８】
他の実施形態で、本発明は、半導体基板の上に配置されているトランジスタと、トランジスタの上に配置されている誘電体層と、トランジスタの上で、且つ誘電体層内に形成されている銅を含む相互接続層と、相互接続層の上に位置する最外側メタライゼーション層とを備える集積回路（ＩＣ）を提供する。最外側メタライゼーション層は、Ａｌを含み、複数のボンディング・パッドおよび複数の相互接続ランナに分割されて、それぞれが最外側相互接続層に電気的に接続される。
【０００９】
他の実施形態で、基板の上に銅相互接続層の形成と、銅相互接続層の上に少なくとも１つのボンディング・パッドおよび少なくとも１つの相互接続ランナを含むアルミニウム層の形成とを備える半導体デバイスの製造方法であって、相互接続ランナが、電気的に銅相互接続層に結合される製造方法が提供されている。
【００１０】
他の実施形態で、本発明は、半導体基板の上に配置されている活性デバイスと、活性デバイスの上に形成されている銅を含む相互接続層と、相互接続層の上に位置する最外側メタライゼーション層とを備える半導体デバイスを提供する。最外側メタライゼーション層は、アルミニウムを含み、それぞれが相互接続層に電気的に接続されている少なくとも１つのボンディング・パッドおよび少なくとも１つの相互接続ランナを含む。
【００１１】
前記では、当業者が以下の本発明の詳細な説明をより良く理解できるように、本発明の好ましい特徴および代替的特徴を概説してきた。本発明の特許請求の範囲の主題を構成する、本発明の更なる特徴が以下に説明されるであろう。当業者には、本発明と同じ目的を実施するために設計し、または他の構成に変更する基礎として、当業者が開示された概念と特定の実施形態を容易に使用することができることを理解されたい。当業者には、そのような等価物の構成が、本発明の趣旨および範囲を逸脱することがないことも認識すべきである。
本発明のいっそうの完全な理解のために、添付の図面と共になされる以下の説明を今から参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明によれば、半導体デバイスの最外側相互接続メタライゼーション層の１つまたは複数のレベルをボンディング・パッド相互接続層に置き換えることは有利である。ボンディング・パッド相互接続層は、ボンディング・パッド目的のために電気的な接続を提供するだけでなく、半導体デバイスの他の電気的機能のために、全般的な電気的接続をも提供する。これは、かなりウェーハ加工コストとそれに付随する歩留まりロスを節減する。次に、ボンディング・パッド層を相互接続層として使用することによってこの置き換えを果たし、一方、最外側の相互接続メタライゼーション層を省けることも提示される。最終の相互接続金属層を省ける新規の経路配置が与えられる。
【００１３】
図２Ａでは、半導体デバイスに使用されてよい本発明によるボンディング・パッド構造２００の有利な一実施形態が示されている。この実施形態は、誘電体層２１０内に配置されている、最外側相互接続層２０５またはレベルを含む。相互接続層２０５は、複数の相互接続つまりランナ２０５ａ（金属配線としても既知である）にパターン化され、分割されている。本明細書で使用されている、相互接続層は、単一層または積重ねた層であってよいことを理解されたい。これらのランナ２０５ａは、誘電体層２１０に沿って延在し、ビアを通して下にある金属レベル（示されていない）に接続する。相互接続層２０５を覆って配置されているのは、保護層２１５である。パシベーション層２１５は、パターン化されて、それを貫通するビアを形成する。ビアは、様々な下にあるランナ２０５ａと接触する。ボンディング・パッド層２２０は、パシベーション層２１５を覆って配置され、セグメント化、つまり分割されて、ボンディング・パッド部分２２０ａおよび少なくとも１つの相互接続層つまりランナ部分２２０ｂを形成している。最終パシベーション層２２２は、部分的にボンディング・パッド層２２０ａの上に配置され、且つランナ部分２２０ｂを覆って配置されている。ＵＢＭ層２２４は、ボンディング・パッド部分２２０ａを覆って配置され、はんだバンプ２２６は、ＵＢＭ２２４を覆って配置されている。図２Ａに示された実施形態では、２つのランナ部分２２０ｂおよび１つのボンディング・パッド部分２２０ａが示されているが、しかし他の実施形態では、複数のボンディング・パッド部分２２０ａが存在してよいし、１つまたは３つ以上のランナ部分２２０ｂが存在してよい。領域２０５ａならびに２２０ａおよび２２０ｂを含む材料の相互拡散を防ぐバリア層／複数バリア層は、分かり易くするために示されていない。
【００１４】
前述の実施形態に見られたように、本発明のボンディング・パッド構造２００は、全体のメタライゼーション・レベルを省き、なおかつ必要とされる程度の電気的接続性を達成する構造を提供する。更に、ボンディング・パッド構造２００は、セグメント化されたボンディング・パッド層２２０を利用して、ボンディング・パッドのために電気的接続を提供するだけでなく半導体デバイス内の他の電気的機能のために全般的相互接続をも提供する。これは、下にある相互接続層２０５に直接接続するボンディング・パッド部分２２０ａおよびランナ部分２２０ｂを通して達成される。大まかに説明されてきたボンディング・パッド構造２００の一実施形態の全体構造を有して、一デバイスの一製造方法が、次に説明されるであろう。
【００１５】
図２Ｂは、一製造段階にある図２Ａの構造２００を示している。この実施形態では、下部の相互接続層および活性デバイス（示されていない）が、形成されている。したがって、図２Ｂは、誘電体層２１０内に形成されたボンディング・パッド構造２００の最外側相互接続層２０５を示している。示されている相互接続層２０５は、従来の工程および材料を用いて形成されてよい。例えば、ダマシンまたはデュアル・ダマシン作製工程を用いて形成可能であり、相互接続層２０５のランナ部分２０５ａをもたらす。そのような実施形態では、使い慣れた従来のフォトリソグラフィおよびエッチング工程を使用して、誘電体層２１０がパターン化され、誘電体層２１０中に開口またはトレンチを形成する。
【００１６】
次いで、導電性金属が、開口またはトレンチの中に堆積され、余分な金属が、従来の化学／機械研磨（ＣＭＰ）工程を用いて除去される。一般に、トレンチまたは開口は、タンタル／窒化タンタル（Ｔａ／ＴａＮ）またはチタン／窒化チタン（Ｔｉ／ＴｉＮ）などの通常のバリア層または複数のバリア層（示されていない）に沿って引かれる。有利な実施形態では、導電性金属は銅または銅の合金を含む。本発明では他の従来の相互接続構造が利用されてもよいことに留意すべきである。例えば、ある場合に相互接続構造は、ビアによってその下の構造に接続される、誘電体の上面に配置されている金属ランナを備えることができる。
【００１７】
図２Ｃに示されているように、相互接続層２０５の平坦化の後に、保護層２１５が、相互接続層２０５を覆って堆積される。従来の堆積工程および方法が、保護層２１５を形成するのに使用可能であり、単一の層または積重ねた層を備えることが可能で、それが示されている実施形態である。
【００１８】
例えば、保護層２１５は、従来の工程を使用して堆積される窒化ケイ素、二酸化ケイ素、炭窒化ケイ素、酸炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはそれらの組合せの積層から成り得る。図示された実施形態は、誘電体層２１０および相互接続層２０５の上に直接配置されている保護層２１５を示しているが、他の実施形態では、２つの層の間に配置される間の層があってよい。
【００１９】
本発明では、保護層２１５は、独特の方法でパターン化、すなわち、図２Ｄに示されているようにパターン化されて下にあるランナ２０５ａの上にビア２１７（分かり易くするために２つだけ明示されている）を開ける。接続のために、一般にビアの直径寸法は０．５から１０μｍの間の範囲で、好ましくは直径で約３μｍであることになる。他の実施形態では、開口は、一連のトレンチ（例えば、３μｍのトレンチ幅を有する）である。概念がこの開示で伝えられるべきことであって、開口の実際の大きさではないことを当事者は理解するであろう。これらの大きさは、デバイス導体の幾何学的配置、形状、寸法によって変わることになる。
【００２０】
保護層２１５のパターン化は、従来の工程および構成とは異なる。従来の工程では、保護層２１５は、一般に銅パッドの上で、且つ、通常、そこにＡｌを堆積するためにパターン化され、銅パッドとはんだバンプの間の電気的接続を形成する。しかし、ここでは、保護層２１５は、分割、つまりセグメント化されて、最終的に役立つことになる別個のランナ２０５ａ上へのビア開口が、全体の相互接続構造の部分を備える。ビアの形成後に、Ｔｉ／ＴＩＮまたはＴａ／ＴａＮあるいはそれらの組合せなどの従来のバリア層が、そこに堆積されてよい。本発明のこの態様は、示されていないが、そのようなバリア層が存在し得ると理解されたい。
【００２１】
次いで、図２Ｅでは、ボンディング・パッド層２２０が、保護層２１５の上、またビア内に、更に、もし存在する場合にはバリア層の上に堆積される。バリア層も含めてビア内に配置されるボンディング・パッド層２２０の部分は、種々の相互接続ランナ２０５ａとボンディング・パッド層２２０の間の電気的接続を提供する。従来の工程および材料が、ボンディング・パッド層２２０を形成するのに使用されてよい。例えば、有利な実施形態では、ボンディング・パッド層２２０は、Ａｌまたはそれらの合金を含み、物理蒸着（ＰＶＤ）または化学気相堆積（ＣＶＤ）あるいは原子層堆積（ＡＬＤ）工程などの堆積工程が、適切な厚さにボンディング・パッド層２２０を形成するのに使用されてよい。
【００２２】
次いで、図２Ｆに示されているように、従来のリソグラフィ工程とエッチング工程が使用されて、ボンディング・パッド層２２０をボンディング・パッド部分２２０ａとランナ部分２２０ｂとに独特にパターン化することができる。選択的エッチング反応が、ボンディング・パッド層２２０のために選択される金属の種類によって決まることになる。当業者は、どんなエッチング反応を用いるべきかを理解するであろう。図示されている実施形態では、ボンディング・パッド部分２２０ａは、ボンディング目的のために下にある相互接続ランナ２０５ａに対し電気的接続を提供し、ランナ部分２２０ｂは、全般的な相互接続目的のために下にある相互接続ランナ２０５ａに対し電気的接続を提供する。
【００２３】
次いで、図２Ｇに見られるように最終のウェーハ保護層である得る第２保護層２２２が、パターン化されたボンディング・パッド層２２０を覆って堆積されているこのブランケットである。
従来の工程と材料が、第２保護層２２２を堆積するのに使用されてよい。例えば、第２保護層２２２は、従来のＰＶＤまたはＣＶＤ工程で堆積される酸化物／窒化物の二層から成ることができる。
【００２４】
次いで、第２保護層２２２は、パターン化されて続いて堆積されるＵＢＭと、はんだバンプを受け取ることになる下にあるボンディング・パッド部分２２０ａの一部を露出し、一方ランナ部分２２０ｂを覆う。従来のエッチング工程が、第２保護層２２２をパターン化するのに使用されてよい。
【００２５】
図２Ｉでは、ＵＢＭ層２２４が堆積され、パターン化されて図示されている実施形態に達する。ＣＶＤ、ＰＶＤまたはＡＬＤなどの従来工程と材料が、ＵＢＭ層２２４を形成するのに実施されてよい。例えば、ＵＢＭ層２２４は、チタン、ニッケル／バナジュウム−銅、または銅／クロムなどの金属を含むことができ、また湿式エッチングが、ＵＢＭ構造２２４を形成するのに実施されてよい。次いで、ＵＢＭ層２２４の堆積とパターン化の後に、はんだバンプ２２６が従来どおり作製されて図２Ａに示されている構造２００に達する。
【００２６】
しばらく図３に目を転ずると、集積回路（ＩＣ）３００、例えば、図２Ａに示されている、はんだバンプ構造２００を備えるフリップ・チップＩＣなどの半導体デバイスの部分的な図が示されている。はんだバンプ構造２００は、下にあるトランジスタ構造３１０に電気的に接続されている。ＩＣ３００は、従来どおりの設計でよく、したがってその作製についての詳細な論議は、必要ない。更に、ＩＣ３００は、どれか特定のデバイスまたは設計に限定されない。例えば、ＩＣは、オプトエレクトロニクス・デバイスまたはエレクトロメカニカル・デバイスであってよい。トランジスタ３１０は、ボンディング・パッド２２０ａおよびランナ２２０ｂを含めて、はんだバンプ構造２００に電気的に接続されている。トランジスタ３１０と、はんだバンプ構造２００の間の電気的接続は示されていないが、当業者は、デバイスが、どのように電気的に接続されることになるかを理解するであろう。はんだバンプ構造２００は、相互接続３２０が形成されている誘電体層３１５の上に配置されている。相互接続３２０は、ダマシンまたはデュアル・ダマシン相互接続構造などの従来どおりの設計でよい。はんだバンプ構造２００は、鉛またはその合金を含むことができることを当業者は理解するであろう。代替的に、はんだバンプ構造は、実質的に無鉛（トレース未満の量の鉛、例えば０．５％未満を含む）であり、当業者に知られている無鉛合金を含んでもよい。
本発明が、詳細に説明されてきたが、最も広い形で本発明の趣旨と範囲を逸脱せずに本明細書の様々な変更、置換、変形がなされてよいことを当業者は理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ａ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｂ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｃ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｄ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｅ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｆ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｇ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｈ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図２Ｉ】本発明によって提供された、はんだバンプ構造および、様々な製造段階のはんだバンプ構造の部分的な図である。
【図３】本発明のはんだバンプ構造が利用され得るＩＣの部分的な図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
0005409993.tif 000010
【図２Ｉ】
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【図３】
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